物理科

網路看到彰師大的氣浮球實驗，覺得很神奇有趣，便著手進行探討其中原理。經過多次失敗與改進，終於成功利用自製材料做出氣浮裝置。原理探究過程中，先後自製了風力測量裝置、氣壓測量裝置和斜面裝置來進行實驗。原本以為是產生的風力導致有氣浮作用，經實驗驗證發現，產生氣浮作用的真正原因，主要是利用渦輪扇將空氣吸入使得內部氣壓增加，然後氣體由底部逸出形成氣墊造成氣浮。此外，頂面開口口徑影響的進排氣速率、氣浮裝置高度、底部口徑、底部接觸面積等因素，都會影響氣浮作用。最後發現，雖然氣浮裝置自由滑動時有離開接觸面一微小距離，但與動態氣墊間還是有摩擦力存在，而動態氣墊會因氣墊量、密度、流速等不同，而有不同的摩擦係數。

綠色能源種類繁多，風力發電乃其中發展最快速之一，已成為世界各國爭相發展之標的。而各類型風力發電機中，以垂直軸風力發電機最具噪音低、設置地點限制小、可吸收任何風向的能量等優勢，因此本研究針對它的各項變因進行探究，實驗結果證明：在風力機部分，葉片為6片不平均分散、葉長16公分&葉寬6公分的長方形、葉片攻角為75°、材質為珍珠板的組合，發電效果最佳；在發電機部分，則是採用16個強力磁鐵，與16個纏繞500匝的線圈，並搭配「磁鐵同極排列＆線圈順時針連接」或「磁鐵異極排列＆線圈順-逆-順-逆時針連接」方式擺置，能獲得最佳發電效能。最後，我們進一步研發「垂直軸風力發電充電器」，供手機和平板電腦進行充電。

我們提出一套環保導光系統，能有效收集屋外的太陽光，並將收集之太陽光傳遞至屋內，同時證實太陽光可透過導光管的引導，輔助室內照明之利用。本系統分集光與導光兩部分，在集光部份，我們提出二種方法，一、利用裝水的寶特瓶放在導光管上方聚光；二、在廢棄的碟形天線貼上鏡子，加上放大鏡聚光，可以大幅提升入射光的強度達24倍之多。在導光部分，我們提出實心導光管光纖及空心導光管L型、S型導光結構建置，空心導光管內鋪設鋁箔貼紙、烤肉用鋁箔的反光材質，並在轉彎處貼附鏡子或反光片就可大幅提升導光效果。台灣日照率高，我們利用生活中的環保材質將取之不盡用之不竭的『陽光』導入室內，為全球暖化問題盡一份力量，達到節能減碳之目的。

漩渦是一種獨特的物理現象，然而對漩渦的許多特性如切線速度及向心加速度甚至是拉力等特性都不易使用簡單的實驗方法觀察測量，因此，本研究採用自行設計的實驗方法，藉由觀測有漩渦的水體中平行波波紋變化，以推得在不同距離中，漩渦對附近水體產生的切線速度、向心加速度等影響，進而推知真實情況下，物體進入漩渦時產生的反應。

大嘴巴旋轉方向要符合馬格努斯效應，才能使紙片上升，製作大嘴巴時需選擇紙張材質輕盈，形狀必須符合慣性旋轉，並搭配不易變形容易操控的起風板，輔以玩家本身的訓練，便可成為好玩的科學小遊戲。實驗中，最佳的大嘴巴飛行器造型如下：利用日曆紙製作成長寬比值為4.0，長為20公分、寬為5公分的長方形，利用錯開接合的方式，讓兩端薄翼呈現2公分、且讓兩翼完整、成一字形，中空處為自然狀態的橢圓形。起風板選擇不易變形、輕盈的厚珍珠板。操作方式首先需先控制好大嘴巴啟動時為逆時針旋轉方向(從實驗者右側面觀察)，接著調整起風板角度，掌握好上升、下降、轉彎時的起風板角度及方向的訣竅，在無風的環境中便可大玩『大嘴巴飛行器』。

主要探討風力發電機扇葉上打洞鏤空是否可提高發電量。如果讓風扇葉面受力不平均可提高轉速，是否可提高發電效益，為了驗證此推論，在扇葉上用不同方式打洞，測試對發電效益的影響。首先自製測試風力發電效益裝置，包含整流器、扇葉裝置、以及測試電力裝置。在初步測試後，利用3D列印扇葉，固定扇葉的樣式。接著探討扇葉形狀、數量、是否打洞、扇葉打洞數量、裝置角度、打洞面積、洞立體樣式、洞距、洞排列方式等，對發電效益的影響。發現扇葉數量為三片，扇葉形狀為橢圓形，裝置角度為80或100度，打3或2個洞，立體樣式為由小到大，洞平均分配打在扇葉上，洞排列方式可以利用右斜向左、左斜向右，且串聯可提高發電效益。

我們利用木板及壓克力板，製作浮力、阻力及側風力測量裝置，並利用粗細的吸管進行氣流的整流。將鐵絲用點焊機焊接後，製作天燈的模型外框，並在外部包覆宣紙製成耐用的天燈模型。我們利用此測試模組測試了方形、長型及梯形天燈，並發現天燈內部的浮力和其體積成正比關係，而阻力及側風力都會隨著風速的升高而變大。長形天燈比方形天燈有較好的浮力效果，但側風力及阻力仍然很大。梯形天燈具有更好的浮力效果，且阻力和側風力皆較方形天燈小，加上上蓋後，不僅浮力效果變好，也降低了垂直阻力及上側風力。在天燈周圍裝上擾流翼後，發現天燈會因熱氣溢出的關係而推動擾流翼產生自旋效果。最後綜合研究，利用Excel 發展出天燈飛行軌跡的分析模型。

本研究主要為探討光學幽浮的可能成因，我們利用實驗搭配模擬的方式研究，共嘗試了兩個模擬方法與四代的實驗方法。首先模擬出空氣折射率變化層與材料折射率變化層的光線行進路徑模式，再利用實驗直接驗證在材料折射率變化層的結果是正確的，間接驗證在空氣折射率變化層的正確性，也就證明了空氣折射率變化層真的可能造成幽浮現象。其中材料折射率變化層未來有機會應用在光纖轉接頭、隱形斗篷等的設計與製作。

奈米結構的廣泛應用，使得蝕刻技術不斷進步，為了追求兼顧經濟，且具高效率的蝕刻技術米球，製作遮罩的技術因此孕育而生。1993年開始利用自組裝效應，研發出奈米球微影蝕刻的技術。這個方法是使用標準尺寸的奈米球膠體，利用其高度排列整齊的自組裝效應來製作遮罩，在基板上以六方最密堆積的形式排列成週期性結構，調整不同製程參數，就可以改變奈米球最密堆疊層數，進而得到不同之遮罩，另外在教授的實驗室發現在不同的磊晶機制以及舉離溶液的搭配下，可以得到不同之蝕刻圖樣。這種蝕刻方法的好處在於所需的儀器設備相當低廉、製程操作容易;只需變化不同奈米顆粒球的粒徑，便可在各種基板上得到不同奈米尺寸的大面積週期陣列結構。

本研究主要探討在不同莫耳濃度的溶液中水分子擴散速率。本研究中，我們設計一種簡單的容器裝置，能左右分別注入兩液體並能於其中夾入一半透膜。我們首先利用此裝置探討在水和不同莫耳濃度的葡萄糖溶液中水分子的擴散速率，我們發現葡萄糖溶液的水柱初始上升速率趨近於線性，且上升斜率隨著葡萄糖濃度的增加而增加。但時間一久，隨著大量水分子的擴散，造成兩邊溶液的濃度差趨近於零，上升斜率的幅度變小而趨近平衡狀態。我們也發現如果兩邊都是葡萄糖溶液，且莫耳濃度差為一定值，所產生的水柱上升斜率會與一邊是水，另一邊容器注入此一差值的莫耳濃度葡萄糖溶液的情況相同。另一方面，如果我們使用一種莫耳濃度的硫酸銅溶液和水兩種溶液，在硫酸銅溶液容器邊所產生的液面上升斜率和兩倍於這種莫耳濃度葡萄糖溶液與水所產生的水柱上升斜率是相同的。之後，我們以理論推導出水分子在溶液中初始狀態的擴散速率。我們在本研究中，有三個重要創舉與貢獻：一、自行設計一種便於拆裝的兩個相接容器之實驗裝置，沒有漏水現象，且具再現性的實驗結果，提高實驗精確度。二、首創以「液面高度造成的壓力及水分子熱運動的碰撞」與「兩邊溶劑水分子數差異造成的擴散運動」的理論，推導出水分子在溶液中初始狀態的擴散速率。三、本研究中真正擴散通過半透膜者為「溶劑水分子」，所以針對溶劑濃度討論更能貼合實際應用。